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随着人类对世界的探索从陆地转向海洋,以及海洋在军事对抗、国防建设和国民经济建设等方面的重要地位,世界各国和地区纷纷将目光聚焦于水下,竞相开展水下探测技术的研究,针对蛙人、水下机器人、UUV（Unmanned Underwater Vehicle,无人潜器）等小目标探测的声呐技术是其中的重中之重。蛙人等水下小目标具有回波微弱、机动性强等特点,并且由于水下环境干扰严重、可视范围较小,对于这类小目标的探测和定位跟踪等问题一直是声呐探测领域的难题。随着实际问题研究的深化和应用中不断提高的要求,深入研究水下小目标探测的新理论和新方法,解决复杂水下背景噪声环境中小目标的探测问题,对于提高水下探测设备的技术性能,具有重要的意义。本文针对实际应用,开展了水下小目标主动探测相关理论、方法和消声水池实验的研究,主要从水下蛙人声学建模和回波特性分析、水声探测信号的相干积累、非线性积累以及运动目标回波长时间积累中的解距离模糊等方面进行了深入研究。主要研究成果及创新点归纳如下:1.建立了蛙人气泡群目标强度的起伏统计模型和蛙人胸腔的双层弹性介质球模型。通过分析水中气泡的运动规律、散射特性、气泡尺度分布特性,引入了气泡群中气泡尺度的Γ分布,建立了装备开式呼吸设备的蛙人在水下呼吸时所产生气泡群目标强度的起伏统计模型,阐明了气泡群目标强度产生起伏的机理,比气泡群非起伏模型更加准确地描述了气泡群目标强度的起伏规律,计算得到气体体积为2升的气泡群的目标强度值约为-20dB。考虑了人体胸腔的肺器官和肌肉组织中传播的横波和纵波,将人体胸腔组织器官看作是包含双层弹性介质的球体,建立了蛙人胸腔的双层弹性介质球模型,给出了其散射声场的解析表达式,推导了蛙人胸腔模型的形态函数,并模拟了回波。结果表明回波波形是入射波形的时延拷贝,入射波频率为100kHz时,蛙人胸腔模型目标强度的计算结果约为-25dB。2.提出了任意信号波形的运动补偿相干积累方法。建立了高斯白噪声假设下任意信号形式的多脉冲回波模型,通过构建信号的广义模糊函数,推导给出了相干积累中匹配滤波输出及运动补偿相干积累的一般表达式。并给出了CW、LFM、m序列编码及Costas跳频编码四种水声信号的广义模糊函数及其相干积累表达式,对这四种信号进行了仿真,验证了任意信号形式的相干积累方法对各种波形信号的正确性。对M个任意信号的回波进行相干积累,能够将信噪比提高到原来的M倍。存在噪声时,相干积累增益以理论增益为均值起伏,起伏幅度大小随积累脉冲个数的增大而增加。3.针对水下强脉冲干扰噪声中的小目标积累检测问题,提出了抑制脉冲干扰的多脉冲回波非线性积累方法。根据水声环境的特点,建立了水下脉冲混合噪声模型,将水下强脉冲干扰噪声背景看做是高斯白噪声分量与强脉冲干扰分量的线性混合,其概率密度函数服从?-混合分布。根据频域卷积定理,将时域信号的乘积看作是各时域信号频谱的相关处理,利用小幅度采样值抑制大幅度脉冲干扰,实现微弱目标回波在强脉冲干扰下的可靠检测。非线性积累能够在输入信号与干扰噪声比SIR?-38dB时检测出脉冲混合噪声中的目标,在输入信噪比SNR?-38dB时检测出高斯白噪声中的目标。该方法能够有效抑制随机出现的强脉冲干扰,降低了虚警概率。4.针对运动目标在长时间积累检测中的距离模糊和距离走动问题,提出了一种基于距离走动校正的解匀速运动目标距离模糊方法。针对匀速运动目标,建立了包含目标运动参数在内的多重脉冲重复周期探测回波模型,并分析了目标运动对使用中国剩余定理（Chinese Remainder Theorem,CRT）解距离模糊所产生的影响。该方法采用CRT方法重构出带有误差的目标距离,利用脉冲重复周期之间的相互关系,校正由于目标运动而引起的目标距离估计误差,最终得到目标在每个脉冲重复周期中的真实距离。在目标运动速度满足|v|（27）（27）c(mi（10）1-mi)/（2mi）的情况下,不仅能够解决目标距离模糊问题,也能够对运动目标回波的跨距离单元走动进行校正。当系统存在噪声干扰时,该方法能够在系统测量误差?（27）d/4的情况下,准确重构出目标距离,且重构精度与系统的测量误差精度相同,而当模数mi（29）（29）??c时,能够较为准确的估计出目标的运动速度。5.设计了水下小目标主动探测系统中的实时信息处理与数据传输软件,开展了水下目标特性的水池测量实验、信号非线性积累检测的水池实验和任意信号运动补偿相干积累检测的水池实验。水下目标特性的水池测量实验结果表明,水下目标回波与入射波近似,目标强度存在起伏。在入射波频率为100kHz的情况下,水池实验中所产生的气泡群目标强度约为-24dB（气体体积约为1升）,铅球的目标强度约为-27dB（铅球半径5cm）。信号非线性积累检测的水池实验结果表明,多脉冲回波非线性积累方法能够有效地从强脉冲背景干扰中检测出目标回波,且检测性能优于线性的相干积累方法,能够在输入信号与干扰噪声之比大于-36dB时检测出静止目标,大于-11dB时检测出运动目标,检测概率100%。该方法同样适用于高斯白噪声背景下的小目标检测,能够在信噪比大于-37dB和-14dB时分别检测出静止目标和运动目标。任意信号运动补偿相干积累检测的水池实验结果表明,运动补偿相干积累方法对所有信号形式具有普适性。实验结果验证了水下小目标目标强度的起伏特性,充分证明了多脉冲回波非线性积累方法和运动补偿相干积累方法的正确性和有效性,为实际应用提供了参考依据。